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1有線通信方式

1.1RS-485總線RS-485是串行數(shù)據(jù)接口標準，1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。楊衛(wèi)中等（2006）[1]開發(fā)了基于現(xiàn)場總線的分布式溫室自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件由上位機、智能控制器和智能節(jié)點3層組成，采用RS-485總線作為層間通信網(wǎng)絡(luò)。曹洪太等（2006）[2]提出了一種針對溫室環(huán)境監(jiān)測的基于WEB的數(shù)據(jù)采集和信息系統(tǒng)設(shè)計方案，從軟、硬件的角度介紹了系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。硬件系統(tǒng)通過RS-485總線與數(shù)字傳感器連接，并與具有聯(lián)網(wǎng)功能的監(jiān)控計算機構(gòu)成溫室現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)。韓慧（2012）[3]設(shè)計了一套能實時控制溫室內(nèi)溫度、濕度以及CO2濃度等多參數(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，由一臺PC機與多個下位機組成主從式分布結(jié)構(gòu)，采用RS-485總線通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，可實時采集各環(huán)境參數(shù)值進而進行遠程控制。楊靖等（2013）[4]設(shè)計了一種基于RS-485總線和短距離無線通信方式相結(jié)合的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；在每個溫室內(nèi)，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個測量單元（網(wǎng)關(guān)節(jié)點），各測量單位通過485總線與計算機連接。RS-485接口具有良好的抗干擾性，按其接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)一般只需二根連線，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點使其成為首選的串行接口，但是RS-485總線的主從和半雙工的工作方式難以實現(xiàn)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，且存在效率低、實時性差等問題。

1.2CAN總線CAN總線（ControllerAreaNetwork）即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。胡真明等（2007）[5]設(shè)計了基于CAN總線的溫室環(huán)境單片機測控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機、CAN現(xiàn)場總線、智能測控節(jié)點組成，考慮到一般是幾棟溫室連成一片以及在大型溫室里通常都有若干個測控點，基于CAN總線的優(yōu)越特性、可以將若干個溫室的測控點和具有CAN接口的PC機監(jiān)控站通過CAN總線連在一起。張穎超等（2009）[6]利用CAN總線的特點和性能優(yōu)勢，提出基于CAN總線的溫室監(jiān)測系統(tǒng)的實施方案，采用主從方式，通過CAN總線將每一個獨立的監(jiān)測節(jié)點連接起來，實時采集數(shù)據(jù)傳送到上位PC機進行處理；同時自定義了CAN總線通信協(xié)議，并給出數(shù)據(jù)通信流程。為了提高溫室控制系統(tǒng)的效率、性能和智能化水平，李曉靜等（2010）[7]基于CAN總線，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、實用性、可靠性相對較好的溫室群控系統(tǒng)設(shè)計方案。張麗紅等（2011）[8]基于CAN總線設(shè)計了溫室節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連棟溫室內(nèi)多小區(qū)的灌溉自動控制，可集中管理，也可獨立控制。相對于RS-485總線，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：①工作于多主方式，無主從之分，數(shù)據(jù)通信實時性強；②節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，總線上其他節(jié)點的操作不受影響；③通信直接傳輸距離可達10km/5kbps，掛接設(shè)備數(shù)達110個；④報文為短幀格式，并具有硬件CRC校驗，傳輸時間短，出錯率極低。

2無線通信方式

與有線方式相比，無線通信網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，具有可快速臨時組網(wǎng)、拓撲結(jié)構(gòu)可動態(tài)變化、抗毀性強、無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)點。常用的無線通信方式有ZigBee、藍牙、WIFI以及GSM/GPRS技術(shù)等。

2.1ZigBee技術(shù)ZigBee這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作在2.4GHz的ISM頻段上，符合802.15.4標準，主要用于近距離無線連接。運用這種技術(shù)將溫室監(jiān)測系統(tǒng)中的各種電子設(shè)備組成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而方便快捷地對溫室環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測，這將是溫室環(huán)境控制的又一突破，具有重大意義。Zhou等（2007）[9]基于ZigBee技術(shù)，設(shè)計了一個溫室監(jiān)控系統(tǒng)，溫室內(nèi)傳感器使用星形拓撲結(jié)構(gòu)，而溫室與管理系統(tǒng)之間使用網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。針對溫室布線復(fù)雜、擴展性差、維護困難等缺點，江儒秀等（2008）[10]提出基于ZigBee無線通信技術(shù)的溫室環(huán)境群控的解決方案，采用JN5121-DKl03模塊設(shè)計了基于ZigBee樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分布式溫室群控系統(tǒng)，并介紹了整個系統(tǒng)的設(shè)計方法。Hwang等（2010）[11]利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建立了三層溫室紅辣椒管理系統(tǒng)，傳感器、監(jiān)控相機等數(shù)據(jù)采集為物理層，傳感器管理、數(shù)據(jù)庫服務(wù)等為中間層，WEB應(yīng)用、PDA應(yīng)用等為應(yīng)用層。傳感器包含環(huán)境傳感器和生長傳感器，環(huán)境傳感器用于采集植物生長的環(huán)境信息，如照度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、CO2濃度、營養(yǎng)液EC、pH等；生長傳感器用于測量葉溫、莖稈直徑、植株高度、體積等的變化。Park等（2011）[12]開發(fā)了基于ZigBee的溫室測控系統(tǒng)，采集的環(huán)境參數(shù)包括作物葉片溫濕度、環(huán)境溫濕度和露點測控系統(tǒng)，所有測量數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并為遠程用戶提供查詢服務(wù)。Fukatsu等（2011）[13]采用智能體（Agent）技術(shù)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與Internet的連接，并開發(fā)了基于WEB的農(nóng)田信息監(jiān)控管理系統(tǒng)。陳勇等（2012）[14]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，采用ZigBee無線通信技術(shù)實現(xiàn)對地表下植物根部深度土壤含水率進行立體監(jiān)測。應(yīng)用ZigBee技術(shù)，可以通過無線傳輸方式實現(xiàn)每個節(jié)點溫室環(huán)境控制器與管控計算機的組網(wǎng)和靈活的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，提高了溫室群控系統(tǒng)的可靠性和靈活性，并大幅度降低了成本。

2.2藍牙通信技術(shù)藍牙（Bluetooth）技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無線接口，使各種設(shè)備在無線連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)相互通信或操作。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHzISM頻段，而且不容易受到外界干擾源的影響。杜輝等（2005）[15]將藍牙無線通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合用于溫室群控，環(huán)境傳感器與溫室現(xiàn)場控制器之間通信采用藍牙技術(shù)，而溫室現(xiàn)場控制器與中央監(jiān)控計算機的通信使用CAN總線的方式，以提高系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性以及靈活性；并以藍牙芯片EricssonROK101007和CAN總線為例，闡述了基于藍牙技術(shù)的分布式溫室氣候監(jiān)控系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計方法。Kim等（2008）[16]利用無線傳感器技術(shù)設(shè)計了一個定點精準線性移動灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用藍牙技術(shù)實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與基站的通信,并利用GPS技術(shù)定位灌溉點。黃曉鵬等（2008）[17]設(shè)計一種基于DSP和藍牙無線傳輸技術(shù)的分布式沼氣加熱溫室控制系統(tǒng)，環(huán)境傳感器與現(xiàn)場控制器的通信采用了藍牙技術(shù)，采用的DSP處理芯片具有CAN總線功能，克服了溫室內(nèi)部管道和線纜布置復(fù)雜以及線纜容易老化、損壞的缺點。賈海政等（2009）[18]基于藍牙技術(shù)設(shè)計了一套溫室溫度自動檢控系統(tǒng)，測溫點與執(zhí)行機構(gòu)(加熱器、通風(fēng)窗)實現(xiàn)無線連接，系統(tǒng)根據(jù)作物不同時期對溫度的需求，將溫度控制在適合作物生長的最適宜溫度區(qū)，使作物快速、高效生長，提高經(jīng)濟效益。

2.3無線WIFI技術(shù)/無線局域網(wǎng)WLANWIFI（WirelessFidelity）網(wǎng)絡(luò),符合IEEE/802.11b協(xié)議，是由AP（AccessPoint）和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)方式較為簡單，主要優(yōu)點是無線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠。為管理一組溫室，Serodio等（2001）[19]開發(fā)了一個分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，并將多種技術(shù)用于數(shù)據(jù)通信。在每個溫室內(nèi)，底層傳感器與控制器的連接采用頻率為433.92MHz的無線局域網(wǎng)（wirelesslocalareanetwork,WLAN）。Mizunuma等（2003）[20]開發(fā)了一個可以在大田和溫室使用的基于WLAN技術(shù)的作物生長監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)了遠程控制，他們認為遠程控制策略可以極大提高產(chǎn)量和降低勞動量。馬增煒等（2011）[21]設(shè)計了一套以集成了WIFI功能和ARM內(nèi)核的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過無線網(wǎng)絡(luò)對智能溫室內(nèi)溫濕度、光照和CO2濃度的采集、匯總、顯示和記錄。Otoniel等（2012）[22]提出了一種自動監(jiān)測系統(tǒng),基于一個低成本W(wǎng)IFI技術(shù)的圖像傳感器，周期性的捕捉和發(fā)送農(nóng)田作物的病蟲害信息到遠程控制站。溫室監(jiān)控系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有普及的WIFI網(wǎng)絡(luò)資源，有效地提高了無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離和覆蓋面積，具有成本低、普及性好、兼容性強、傳輸帶寬、傳輸速度快、標準化等優(yōu)點。

2.4GPRS/GSM通信技術(shù)GPRS（GeneralPacketRadioService,通用分組無線服務(wù)）是一種分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸、無距離限制等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在手持式儀器設(shè)備、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。Mancuso等（2006）[23]在一個番茄溫室中設(shè)計了一個監(jiān)控系統(tǒng)，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對空氣溫度、相對濕度、土壤溫度等進行測量；并開發(fā)了一個基于WEB技術(shù)的植物監(jiān)控應(yīng)用。當(dāng)測量快速變化時，報警信息就會通過短消息服務(wù)（SMS）或GPRS方式發(fā)送到溫室管理者手機中。孫忠富等（2006）[24]針對農(nóng)業(yè)對象具有的多樣性、多變性、以及偏僻分散等特點，提出了一種基于GPRS和WEB技術(shù)的遠程數(shù)據(jù)采集和信息系統(tǒng)方案，將485總線與數(shù)字傳感器連接，并與監(jiān)控計算機構(gòu)成溫室現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，利用GPRS無線通信技術(shù)建立現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，將實時采集信息發(fā)送到WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器。李莉等（2009）[25]設(shè)計一種結(jié)合嵌入式技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室環(huán)境信息采集與監(jiān)測的系統(tǒng)，系統(tǒng)控制終端基于ARM9和嵌入式Linux操作系統(tǒng)進行設(shè)計，用于溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的接收、實時顯示和存儲，通過GPRS方式實現(xiàn)與遠程管理中心的通信。張西良等（2010）[26]構(gòu)建了三層次無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與遠程GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,以實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點和遠程管理計算機之間信息高效無線傳輸。Antonio等（2011）[27]提出了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的農(nóng)田信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)與集成檢測電路構(gòu)成，通過傳感器和GPRS通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，滿足了作物信息實時獲取的要求。GPRS通信方式適合遠距離并且不具備有線網(wǎng)絡(luò)的情況下的數(shù)據(jù)傳輸，采用包交換的優(yōu)點是在有數(shù)據(jù)需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式。

3常用通信技術(shù)比較

上述6種作為溫室監(jiān)控系統(tǒng)常用的通信方式各有特點，在不同的應(yīng)用場景下可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，揚長避短，也可以將這6種通信方式進行組合，達到高效、遠程傳輸?shù)哪康?。常見的是適合近距離的通信方式和遠距離傳輸?shù)腉SM/GPRS結(jié)合，劉士敏等（2013）[28]設(shè)計了針對溫室大棚中溫濕度、CO2濃度、光照強度和土壤溫度等參數(shù)的無線實時監(jiān)控系統(tǒng)，采用WIFI技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境參數(shù)進行采集，當(dāng)超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，可以通過蜂鳴器報警和GSM短信息報警。李穎慧等（2013）[29]設(shè)計了基于ZigBee的營養(yǎng)液電導(dǎo)率實時測量自組織網(wǎng)絡(luò)，同時系統(tǒng)集成了GPRS模塊，實現(xiàn)了營養(yǎng)液電導(dǎo)率與溫度信息的遠程傳輸與監(jiān)控等功能。有線通信具有高可靠性、速度快、穩(wěn)定等優(yōu)點，但布線繁瑣、成本較高。無線通信方式具有設(shè)備移動性好、不需或只需少量布線的優(yōu)點，但存在易受環(huán)境影響和延遲較大的不足。從發(fā)展角度而言，WIFI網(wǎng)絡(luò)因具有帶寬較寬、傳輸速度快、兼容能力強、抗干擾能力強等優(yōu)點[30]，將會成為設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)重要的信息傳輸方式，也將是溫室信息傳輸技術(shù)的重要研究方向。

4結(jié)語

本文介紹了幾種溫室測控系統(tǒng)信息傳輸方式，包括有線及無線傳輸方式，比較了他們的優(yōu)缺點，并提出了未來發(fā)展趨勢。信息傳輸是各種設(shè)施農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的不可缺少的組成部分，合理的選擇信息傳輸方式對整個溫室測控信息系統(tǒng)起著重要作用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)正在不斷結(jié)合與融合。實際應(yīng)用中，各種技術(shù)各相互結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)點。結(jié)合后的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)勢互補，既充分發(fā)揮各種技術(shù)的突出優(yōu)勢，又能夠最大程度地發(fā)揮整體效應(yīng)。無線網(wǎng)絡(luò)特別是無線WIFI技術(shù)，會是未來的發(fā)展重點，將為未來設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

作者：林開顏吳軍輝司慧萍陳杰單位：同濟大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院上海都市綠色工程有限公司